KAWANISH, Japonsko, 15. listopadu 2022 /PRNewswire/ — Problémy životního prostředí, jako je změna klimatu, vyčerpávání zdrojů, vymírání druhů, znečištění plasty a odlesňování způsobené prudkým nárůstem světové populace, jsou stále naléhavější.
Oxid uhličitý (CO2) je skleníkový plyn a jedna z hlavních příčin klimatických změn. V tomto ohledu proces zvaný „umělá fotosyntéza (fotoredukce oxidu uhličitého)“ dokáže z oxidu uhličitého, vody a sluneční energie produkovat organické suroviny pro paliva a chemikálie, stejně jako to dělají rostliny. Zároveň snižují emise CO2, které se používají jako surovina pro výrobu energie a chemikálií. Umělá fotosyntéza je proto známá jako jedna z nejpokročilejších zelených technologií.
MOF (metal-organické struktury) jsou superporézní materiály složené z klastrů anorganických kovů a organických linkerů. Lze je regulovat na molekulární úrovni v nanorozsahu s velkým povrchem. Díky těmto vlastnostem lze MOF použít při skladování plynů, separaci, adsorpci kovů, katalýze, dodávání léčiv, úpravě vody, senzorech, elektrodách, filtrech atd. Nedávno bylo zjištěno, že MOF mají schopnost zachycovat CO2, který lze použít k produkci organických látek pomocí fotoredukce CO2, známé také jako umělá fotosyntéza.
Kvantové tečky jsou naopak ultratenké materiály (0,5–9 nanometrů) s optickými vlastnostmi, které se řídí pravidly kvantové chemie a kvantové mechaniky. Nazývají se „umělými atomy nebo umělými molekulami“, protože každá kvantová tečka se skládá pouze z několika až tisíců atomů nebo molekul. V tomto rozsahu velikostí již energetické hladiny elektronů nejsou spojité a oddělují se v důsledku fyzikálního jevu známého jako efekt kvantového omezení. V tomto případě bude vlnová délka emitovaného světla záviset na velikosti kvantové tečky. Tyto kvantové tečky lze také použít v umělé fotosyntéze díky jejich vysoké absorpční kapacitě světla, schopnosti generovat více excitonů a velkému povrchu.
Organizace Green Science Alliance syntetizovala jak MOF, tak kvantové tečky. Dříve úspěšně použila kompozity MOF-kvantové tečky k výrobě kyseliny mravenčí jako speciálního katalyzátoru pro umělou fotosyntézu. Tyto katalyzátory jsou však ve formě prášku a tyto katalyzátorové prášky musí být v každém procesu shromažďovány filtrací. Proto je obtížné je aplikovat v reálném průmyslovém prostředí, protože tyto procesy nejsou kontinuální.
V reakci na to pan Kajino Tetsuro, pan Iwabayashi Hirohisa a Dr. Mori Ryohei ze společnosti Green Science Alliance Co., Ltd. využili svou technologii k imobilizaci těchto speciálních umělých katalyzátorů fotosyntézy na levné textilii a otevřeli nový závod na výrobu kyseliny mravenčí. Proces lze probíhat nepřetržitě pro praktické průmyslové aplikace. Po dokončení reakce umělé fotosyntézy lze vodu obsahující kyselinu mravenčí odebrat a extrahovat a poté lze do nádoby přidat novou čerstvou vodu, aby se pokračovalo v obnovení umělé fotosyntézy.
Kyselina mravenčí může nahradit vodíkové palivo. Jedním z hlavních důvodů, které brzdí celosvětové přijetí vodíkové společnosti, je to, že vodík, nejmenší atom ve vesmíru, se obtížně skladuje a vybudování dobře uzavřeného zásobníku vodíku by bylo velmi nákladné. Plynný vodík může být navíc výbušný a představovat bezpečnostní riziko. Kyselinu mravenčí je mnohem snazší skladovat jako palivo, protože je kapalná. V případě potřeby může kyselina mravenčí katalyzovat reakci za vzniku vodíku in situ. Kyselinu mravenčí lze navíc použít jako surovinu pro různé chemikálie.
I když je účinnost umělé fotosyntézy v současné době stále velmi nízká, bude Aliance pro zelenou vědu i nadále bojovat za její zvýšení a zavedení skutečně aplikované umělé fotosyntézy.